Avión con energía solar sin baterías

Las conclusiones de om son correctas (si te gusta mi respuesta, también deberías votar la suya).

Teóricamente sí. Realista Posiblemente.

Conectar eficiencias realistas muestra que ciertas embarcaciones de tamaño podrían hacer esto en teoría. Sin embargo, la energía solar no es muy potente y no tenemos un buen mecanismo para convertir la energía solar en energía propulsora. Entonces, aunque la física no lo prohíba, no tenemos nada diseñado que pueda hacerlo ahora.

Suposiciones, restricciones y otras trivialidades

No estoy derivando mucho de esto de los primeros directores, estoy comenzando con mi formación básica y educación. Si necesita la justificación de algunos de estos, lea las referencias.

• Suponga un vuelo recto, nivelado y constante (elevación = peso, empuje = arrastre)
• M - es el número de Mach
• Las ecuaciones de elevación y arrastre se simplifican a$\frac{L}{D} = \frac{C_{Lift}}{C_{Drag}}$o$T = \frac{W \cdot C_{drag}}{C_{lift}}$
• Potencia del motor de turbina definida como$P = T \cdot v$
• Para vuelo supersónico, máximo$\frac{L}{D} = \frac{4 \cdot \left(M + 3\right)}{M} = \frac{C_{lift}}{C_{drag}}$
• Velocidad de crucero de 1070 mph ($460 \frac{m}{s^2}$) que está entre$1.5$&$2.0 \cdot M$
• No se indica la altitud de crucero (dejaremos que sea una variable)
• El peso de la estructura varía con la ley del cubo-cuadrado (cuanto más pequeño, mejor), lo que significa$W = \left(\sqrt{A}\right)^3$
• Para ecuaciones de vuelo que requieren constantes (como$C_{lift}$&$C_{drag}$), "A" generalmente representa el " área de la forma en planta " .
• El flujo laminar reduce el arrastre por fricción y es más fácil de mantener en distancias más cortas (cuanto más pequeño, mejor)
• La radiación solar en la superficie de la Tierra es$1367 \frac{W}{m^2}$, asumiremos que algo de esto se ha perdido e iremos con$1000 \frac{W}{m^2}$
• Asumir 100% de eficiencia solar (no práctico)
• El vuelo supersónico excluye el uso de hélices (también excluiremos los motores de ventiladores sin conductos ). Debemos utilizar motores turborreactores o fanjet.**

Derivación

Utilice las 4 ecuaciones indicadas anteriormente:

• $T = W \cdot \frac{C_{drag}}{C_{lift}}$
• $W = \left(\sqrt{A}\right)^3$
• $\frac{C_{lift}}{C_{drag}} = \frac{4 \cdot \left(M + 3\right)}{M} \rightarrow \frac{C_{drag}}{C_{lift}} = \frac{M}{4 \cdot \left(M + 3\right)}$
• $P = T \cdot v$

Sustituye y simplifica:

Luego resuelva para varios regímenes de vuelo.

Solución

Ingresé esto en una hoja de cálculo (junto con los cálculos de velocidad del sonido, número de mach, etc.) y esto es lo que obtuve:

Edit1 aproximadamente 3 horas después de la respuesta inicial , estaba equivocado por un factor de 1000. Actualicé este cuadro. Las celdas verdes muestran posibles combinaciones de tamaño/altitud dada una eficiencia del 100 % en la captación de energía solar, eficiencia térmica del motor, eficiencia de propulsión, etc.

Edit2 aproximadamente 3 horas después de la última edición , olvidé multiplicar la energía solar por el área de la forma en planta. He actualizado este gráfico. Las celdas verdes muestran posibles combinaciones de tamaño/altitud dada una eficiencia del 100 % en la captación de energía solar, eficiencia térmica del motor, eficiencia de propulsión, etc.

Edit3 aproximadamente 2 días después de la última edición , no he cambiado sustancialmente la respuesta. En cambio, para el escenario realista, cambio el$\frac{C_l}{C_d}$al 50% del valor máximo. Luego convertí los gráficos para leer qué porcentaje de potencia de propulsión podría proporcionar la energía solar. Así que ahora la respuesta está en % en lugar de Watts.

Potencia de empuje requerida (W) - para componentes 100% eficientes:

La hoja de cálculo muestra la potencia de empuje mínima requerida para un vuelo recto y nivelado a la velocidad requerida a la altitud que se muestra a la izquierda para el área de la forma en planta de la aeronave que se muestra en la parte superior.

Lo que esto dice es que su avión debe permanecer bastante pequeño (más pequeño que$2 m^2$). Este vehículo nunca podría ser tripulado (pero eso no es un requisito, así que está bien).

Si agrega eficiencias realistas para estos parámetros (la eficiencia general optimista del motor podría llegar al 40 % y, de manera muy optimista, la eficiencia solar del 30 %***), obtendrá un gráfico que se parece más a este:

Potencia de empuje requerida (W) - para componentes realmente eficientes:

Así que parece que se podría hacer un avión bien diseñado y lo suficientemente pequeño. De acuerdo, no conozco un buen mecanismo para convertir la energía solar en empuje, por lo que aún quedaría bastante trabajo de ingeniería por hacer, la física no prohíbe tal nave.

Y otra cosa

Aunque alguien podría algún día construir una embarcación de este tipo, recuerde que cualquier cosa con partes móviles requerirá lubricantes. Incluso si cumple con los requisitos de energía para mantenerlo en funcionamiento, eventualmente se quedará sin estos lubricantes y/o sus partes móviles se romperán.

Muchos aviones estadounidenses tienen la capacidad de realizar reabastecimiento de combustible en el aire. Desde una perspectiva de propulsión, pueden permanecer en el aire para siempre. En términos prácticos, tienen limitaciones de duración de vuelo basadas en cosas como provisiones para la tripulación, lubricación de piezas móviles, etc.

**Rendimiento de vuelo del motor de aeronave por tipo y régimen de vuelo:

***Eficiencias de las células solares:

Creo que será poco práctico.

• La energía solar depende del área de las células solares. Con una eficiencia perfecta, obtendría un poco más de 1 kW por metro cuadrado.
• El arrastre supersónico depende de la sección transversal en lugar del área de superficie total, pero en la práctica, su sección transversal aumentará si aumenta el área de la celda solar.
• El Concorde tiene más de 400 lbf de empuje por metro cuadrado de área alar.
• La relación entre lbf y kW no es sencilla, pero creo que obtendrá mucho menos 400 lbf de 1 kW.

Y eso sin las ineficiencias de las células solares.